光学设计Zemax实例教程2016-下
Zemax初学者教程(光学设计)习作六反射镜面和坐标断点
学习光学设计，练习使用Zemax！Zemax 不会教你怎么做光学设计，就像CAD 不会教你怎么设计汽车一样。
——道冲/charlietian- 1 –好的设计取决于你的知识和经验，而不是Zemax 这样的工具，好的镜头出自你的头脑。
你将学到：了解coordinate breaks, sign conventions 调整倾斜度，或改变系统中心的作用和如何装置fold mirrors 等。
本习作的大部分技巧在”Add Fold Mirror”工具中可自动执行，然而了解实际的操作内容和细节，才是本习作的目的。
在习作3 时或许你已学会绾紊杓婆６偻毒担渲幸丫?coordinate breaks 的操作，以及光在经过mirror 反射后thickness 虚设定为负值，和coordinate breaks 需伴随着一对使用，而把需要的fold mirror 如三明治般地夹在其中。
本习作将教你如何在一个简单的converging beam 中manually 加入foldmirrors，而不使用Tools 中的“Add Fold Mirror”功能。
叫出LDE，把STO 的surface type 改为paraxial。
学习光学设计，练习使用Zemax！Zemax 不会教你怎么做光学设计，就像CAD 不会教你怎么设计汽车一样。
——道冲/charlietian- 2 –好的设计取决于你的知识和经验，而不是Zemax 这样的工具，好的镜头出自你的头脑。
thickness 定为100，这是对paraxial lens 的default focal length 值；然后从System, General，中把aperture 设为20，即产生一个F/5 的lens。
完毕后看看3D layout，一个简单的paraxial lens 所构成的convergingbeam 光学系统已完成。
学习光学设计，练习使用Zemax！Zemax 不会教你怎么做光学设计，就像CAD 不会教你怎么设计汽车一样。
zemax光学设计例子
在光学设计中，Zemax是一款非常受欢迎的软件，它提供了强大的工具和功能，可以帮助设计师轻松地完成各种光学设计任务。
本文将通过一个具体的例子，向大家展示如何使用Zemax进行光学设计。
一、设计背景我们假设需要设计一款望远镜，需要观察远处的星空。
望远镜的主要性能指标包括放大倍率、像差和亮度。
我们需要通过Zemax软件，找到最佳的光学系统方案，以达到最佳的观察效果。
二、设计步骤1.建立基本光学系统模型：在Zemax中，我们需要建立一个基本的光学系统模型，包括望远镜的主镜和次镜。
可以通过手动输入镜片数据或者使用预设的镜片库来建立模型。
2.调整参数：在Zemax中，我们可以调整各种参数来优化望远镜的性能。
例如，可以通过调整放大倍率和亮度参数来找到最佳的观察效果。
3.检测像差：在调整参数后，我们需要检测望远镜的像差。
Zemax 提供了强大的像差检测功能，可以帮助我们找到镜片上的缺陷和误差。
4.优化镜片：根据检测结果，我们可以对镜片进行优化。
可以通过添加或删除镜片、调整镜片位置和角度等方式来改善望远镜的性能。
5.模拟观察：在完成镜片优化后，我们可以模拟观察望远镜的成像效果。
可以通过调整望远镜的焦距和观察角度来查看不同情况下的成像效果。
6.调整和优化：根据模拟观察结果，我们可以再次调整和优化望远镜的设计。
直到达到满意的观察效果为止。
三、设计结果经过一系列的设计和优化步骤，我们得到了一个满意的光学设计方案。
该方案包括两片反射镜，放大倍率为10倍，像差在可接受范围内，亮度较高。
通过Zemax模拟观察，成像效果清晰、稳定，符合我们的预期。
四、总结通过这个具体的例子，我们展示了如何使用Zemax进行光学设计。
虽然只是一个简单的望远镜设计，但是它涵盖了光学设计的基本步骤和技巧。
在实际应用中，光学设计需要考虑的因素很多，例如环境因素、成本预算、材料选择等。
Zemax提供了丰富的工具和功能，可以帮助设计师轻松应对各种挑战。
光学设计软件ZEMAX实验讲义
光学设计软件ZEMAX实验讲义光学设计软件ZEMAX是一款广泛应用于光学设计和仿真的工具。
它通过建立光学系统模型、进行光学分析和优化，来实现光学元件的设计和性能评估。
本实验讲义将介绍使用ZEMAX进行光学系统设计的基本流程和方法，以帮助读者快速上手使用该软件进行实验。
实验目的：1.掌握ZEMAX软件的基本操作方法；2.学习使用ZEMAX进行光学系统的建模和分析；3.能够使用ZEMAX进行光学系统的优化和性能评估。
实验仪器和材料：1.计算机（安装有ZEMAX软件）；2.光学元件（例如透镜、棱镜等）；3.光源（例如激光器、光纤等）；4.探测器（例如光电二极管、CCD等）。
实验步骤：1.启动ZEMAX软件，并加载需要的光学元件模型。
可以通过导入现有的元件文件，也可以自己创建新的模型。
2.在光学系统中定义光源和探测器。
选择合适的光源类型，并设置光源的参数，例如波长、光强等。
同样，选择合适的探测器类型，并设置其参数。
3.在光学系统中添加光学元件。
选择需要的元件类型，例如透镜、棱镜等，并设置其参数，例如焦距、角度等。
4.运行光学分析。
可以选择进行光线追迹分析，用于确定光线在系统中的传播路径和光学性能。
还可以进行波前分析，用于评估系统的像差情况。
5.进行光学系统优化。
根据实际需求，调整光学系统中的参数，例如透镜的位置、曲率等，以优化系统的性能。
可以使用自动优化功能，也可以手动调整参数进行优化。
6.进行光学系统性能评估。
通过分析光线传播路径、像差情况等，评估光学系统的性能。
可以使用图像质量指标，例如MTF（传递函数）和PSF（点扩散函数），来评估系统的成像能力。
7.导出结果。
根据需要，将优化后的光学系统结果导出为文件。
可以导出光学系统的参数、光线路径图、波前图等。
实验注意事项：1.在进行光学系统设计前，需要确保熟悉光学基础知识，并了解所使用的光学元件的特性和性能。
2.在使用ZEMAX软件时，需要注意模型的准确性和合理性。
《Zemax光学设计软》课件
性。
02 Zemax软件基本操作
界面介绍
菜单栏
包含所有可用的命 令和选项。
工具栏
提供常用命令的快 捷方式。
标题栏
显示软件名称和当 前打开的文件名。
工作区
用于显示和编辑光 学设计的相关数据 和图形。
状态栏
显示当前操作的状 态和提示信息。
文件操作
新建文件
创建一个新的光学设计项目。
打开文件
打开一个已存在的光学设计项目。
高效的照明模拟
Zemax可以模拟各种光源和照明条件下的光学系统性能，帮助设 计师优化照明设计。
软件应用领域
光学仪器设计
01
Zemax广泛应用于望远镜、显微镜、照相机等光学仪器的设计
和优化。
摄像头和投影仪设计
02
Zemax可以帮助设计师优化摄像头和投影仪的性能，提高成像
质量。
照明设计和分析
03
Zemax可以用于照明系统的设计和分析，提高照明效率和均匀
光学性能分析
分辨率分析
分析光学系统的分辨率，评估系统对 细节的分辨能力。
光束孔径分析
研究光束孔径大小对成像质量的影响 ，优化光束孔径配置。
波前分析
波前畸变
研究光波经过光学系统后的波前畸变情况，分析其对成像质 量的影响。
波前重建
利用Zemax软件对波前进行重建，了解光波的传播特性和变 化规律。
05
保存文件
将当前光学设计项目保存到磁盘上。
另存为
将当前光学设计项目以不同的文件名或格式保存。
工具栏介绍
01
视图工具栏
用于控制工作区的视图，包括放大 、缩小、旋转等操作。
绘图工具栏
提供绘制各种光学元件和光路的功 能。
zemax设计实例及课程设计PPT课件
的情况下，弥散斑小的比弥散斑大的得分高。第23 Nhomakorabea/共26页
评价函数操作数
1、像差SPHA( 球差)、COMA( 彗差)、ASTI( 像散)、 FCUR( 场曲)、
DIST( 畸
变)等
2、调制传递函数MTFT( 子午面传递函数)、MTFS( 弧矢面MTF) 、MTFA 等 3、基本
➢ 最大畸变<1%
➢
第5页/共26页
Step 1:确定照相物镜的基本性能要求
焦距：f’=9.6mm；
FNo.>1/2.8；
像高：y’=sqrt（5.76^2+4.32^2)/2=3.6mm
5.76mm
视场角：atan（y’/f’）=20.55度
后工作距>5mm
反远距比：>5/9.6=0.5208
焦距：f’=9.6mm；
➢焦距：f’=9.6mm；
➢相对孔径D/f’不小于1/2.8；
➢图像传感器为1/2.5英寸的CCD，
➢成像面大小为4.32mm×5.76mm；
➢后工作距>5mm
➢在可见光波段设计(取d、F、C三种色光，d为主波
长)；
➢1m成像质量，MTF 轴上>40% @100 lp/mm
轴外0.707 >35%@100 lp/mm
5、基本计算
Abso(绝对值)、ASIN、COSI等
第16页/共26页
边界约束条件：
两种方法：
CTGT(中心厚度大于)、CTLT(中心厚度小于)、ETGT、ETLT、
CVGT、 CVLT等
缺省优化函数
第17页/共26页
（3）优化
zemax教程
光线追迹原理
几何光学是研究光线在均匀介质中的 传播规律和成像原理的科学，是光学 设计的基础。
光线追迹是光学设计中的基本方法， 通过计算光线在光学系统中的传播路 径和成像情况，评估光学系统的性能 。
物理光学原理
物理光学是研究光的波动性、干涉、 衍射、偏振等现象的科学，对于复杂 的光学系统设计和分析具有重要意义 。
医学、生物科学等领域的光学 成像系统设计。
02
zemax软件安装与启动
zemax软件安装步骤
下载zemax软件安装包
从官方网站或授权渠道下载最新版本的zemax软件安装包。
安装准备
确保计算机满足最低系统要求，并关闭所有正在运行的程序。
运行安装程序
双击安装包，按照提示进行安装。选择安装目录和组件，并遵循安 装向导完成安装过程。
02
它提供了全面的光学设计工具，包括光线追迹、优化、公差分
析等。
Zemax软件支持多种操作系统，如Windows、Linux等。
03
zemax软件功能
光线追迹
Zemax可以模拟光线在光学系统中的 传播路径。
公差分析
Zemax可以对光学系统的公差进行分 析，以评估实际制造和装配过程中的
性能变化。
优化
缩放视图
使用鼠标滚轮或者工具栏中的缩放工具，可以对视图进行缩放操作。
平移视图
按住鼠标中键并拖动，可以平移视图。
旋转视图
在工具栏中选择旋转工具，可以对视图进行旋转操作。
zemax软件工具栏介绍
编辑工具栏
包含撤销、重做、 复制、粘贴等编辑 操作按钮。
分析工具栏
包含光线追迹、优 化、公差分析等分 析操作按钮。
Zemax内置了多种优化算法，可以对 光学系统进行自动优化以提高性能。
ZEMAX光学成像设计实例---ZEMAX基础实例-单透镜设计
第二章 基础实例设计ZEMAX基础实例 ‐ 单透镜设计引言• 在成像光学系统设计中，主要指的是透镜系统设计，当然也有一些反射系统或棱镜系统。
• 在透镜系统设计中，最基础、最简单的便是单透镜设计。
但我们不要小看这样的单透镜系统，因为它也代表了一个光学系统设计的完整流程。
麻雀虽小，五脏俱全！• 本节中，我们通过手把手的操作，为大家展示使用 ZEMAX 进行成像光学设计的完整流程。
使初学者快速领略到ZEMAX光学设计的风采，在轻松的设计中感受到光学设计的乐趣。
• 通过单透镜设计，可以使大家学习到Z EMAX 序列编辑器建模方法，光束大小设置方法，视场设置方法，变量的设罝方法，评价函数设置方法，优化方法，像差分析方法和提髙像质的像差平衡方法等，单透镜系统参数设计任何一个镜头，我们都必须有特定的要求，比如焦距，相对口径，视场，波长，材料，分辨率，渐晕，MTF等等，根据系统的简易程度客户给的要求也各不相同。
由于单透镜最简单的系统，要求也就很少。
本例中我们设计单透镜规格参数如下：EPD = 20mmF/#=10FFOV= 10 degreeWavelength 0.587umMaterial BK7Best RMS Spot Radius首先我们需要把知道的镜头的系统参数输入软件中，系统参数包括三部分：光束孔径大小，视场类型及大小，波长。
在这个单透镜的规格参数中，入瞳直径(EPD)为20mm，全视场(FFOV)为10度，波长0.587微米，分别如下说明。
1、点击System » General或点快捷按扭Gen打开通用设置对话框：入瞳直径即到还有其它像空间F 数互转换。
物空间数值直接定义物随光阑尺寸用这种类型本例中，我2、点击打开即用来直接确它几种光束孔(Image Space 值孔径(Object 物点发光角度寸漂移(Float B 型来计算入瞳我们只需选择开视场对话框定进入系统光孔径定义类型e F/#)，用于t Space NA)，来约束进入系By Stop Size)，瞳的大小。
ZEMAX光学设计第02讲ZEMAX实例：单透镜设计
球差
最小模糊圈 近轴焦点
横向像差 纵向像差 球差存在时最清楚面不在近轴焦点处！
光学像差 分类
•几何像差（单色像差）
–起源于非近轴光线的聚焦
• 球差 (spherical aberration) • 彗差 (coma) • 像散 (astigmatism) • 场曲 (field curvature) • 畸变 (distortion)
•色像差 Chromatic aberration
–起源于透镜折射率随波长改变，因此不同颜色聚焦 在不同位置
像差的起源
• 球差 (spherical aberration) • 彗差 (coma) • 像散 (astigmatism) • 场曲 (field curvature) • 畸变 (distortion)
ZEMAX光学设计 (第2讲)
Optical Design & ZEMAX
ZEMAX实例：单透镜设计
1.设计流程
系统参数输入 初始结构创建 优化变量设置 评价目标函数设置
像质分析 系统改进提高
再优化
2.单透镜设计实例
（1）LDE 透镜数据编辑
（2）孔径、视场、波长参数输入
3.球差
longitudinal aberrations
像差的起源
其他五种像差
• 统称为几何像差 • 在后面一一描述
球差
慧差
像散
场曲
畸变
H. Gross ed., Handbook of Optical Systems, Ch29.4, Wiley-VCH (2007)
像差的起源
• 另一种常见的像差表示法Zernike多项式
垂直倾斜
45°像散
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
复制透镜2的两个面至缩束系统中正透镜1的两个面之后
选中缩束系统-正透镜2-优化结果.zmx中的Surface1和Surface2, Ctrl+C
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
选中开普勒式缩束系统-初始结构.zmx中的像面, Ctrl+V，将透镜2数据放置 在透镜1数据之后
平面波前与理想平面波相比较 南京理工大学 袁群 光学CAD课件
平面波前经近轴透镜转化为球面 波模式再与理想的球面波相比较
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普 将Surface Type由Standard 改成Paraxial。即表示插入一 个近轴面。 南京理工大学 袁群 光学CAD课件
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
此时缩束系统中正透镜1和正透镜2均为正向光路，应 将正透镜2转化为反向光路
选中透镜2数据（Surface3和Surface4），Tools>>Modify 南京理工大学 袁群 光学CAD课件 >>Reverse Elements
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设计案例4-缩束/扩束系统
南京理工大学 袁群 光学CAD课件
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
完整的评价函数： 操作符1 :EFLY，目标值400，权重1； 操作符2 :EFLY，目标值100，权重1； 操作符3 :REAY，目标值-10，权重1； 操作符4 :REAY，目标值-10，权重1； 南京理工大学 袁群 光学CAD课件 操作符5及以后 :系统波像差控制，权重1
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
上述内容是在ZEMAX2005低版本软件软件中，无Afocal Image Space选项时，通过加入近轴面，将平面波转化为球面波，实现 波面质量分析，用于替代无焦模式。 定义完成后跳转回PPT第17页，进行评价函数定义与优化设计。 本章PPT在采用伽利略式缩束系统设计时亦可采用此方法进行波 面质量评价。
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选中伽利略式缩束系统-初始结构.zmx中的像面, Ctrl+V，将负透镜数据放 置在正透镜1数据之后
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设计案例4-缩束/扩束系统
伽利略式缩束系统设计
此时缩束系统中正透镜和负透镜均为正向光路，应将 负透镜转化为反向光路
选中透镜2数据（Surface3和Surface4），Tools>>Modify 南京理工大学 袁群 光学CAD课件 >>Reverse Elements
另存为：缩束系统-正透镜1-优化结果.zmx
5
设计案例4-缩束/扩束系统
f=400 mm 正透镜1设计 f=400 mm 正透镜1设计结果: • 焦距设计值400.36 mm • 波像差
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=100 mm 正透镜2设计 以f=400 mm 正透镜1的优化结果构建正透镜2的初始初 始结构 Tools>>Modify >>Make focal
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
• 在正透镜1前方插入一个面，Surface 1厚度为100 mm，用作观察平行光入射用； • 将正透镜1与正透镜2之间的间隔作为变量；
南京理工大学 袁群 光学CAD课件 保存文件，另存为：开普勒式缩束系统 -优化结果.zmx
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设计案例4-缩束/扩束系统
设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
缩束系统整体优化，评价函数控制以下几个因素： • 正透镜1焦距目标值400 mm； • 正透镜2焦距目标值100 mm; • 出射光束口径20 mm; • 出射波前波像差
评价函数的操作符 • EFFL：系统的整体焦距 • EFLY：两个面之间的光学系统在YZ平面上焦距（子午焦距） • REAY：光线追迹在YZ平面上的高度
计算机辅助光学设计
袁群 电光学院A628房间
yuanqun@
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1
设计案例4-缩束/扩束系统
D2
D1
开普勒式
f1 f2 f2
D1 f1 D2 f 2
伽利略式
2
D1
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设计案例4-缩束/扩束系统 设计步骤
开普勒式 • 正透镜1 • 正透镜2 • 组合形成缩束系统 伽利略式 • 正透镜1 • 负透镜1 • 组合形成缩束系统
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
将近轴面（Surf7）的厚度改为200， 焦距改为200。表示采用了一个焦 距为200 mm的理想透镜将平面波 会聚后分析波面质量。
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
近轴面f=200
缩束系统部分
为了分析波前 质量，额外加 入的近轴面会 聚球面波部分。 优化设计完成 后去掉。
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新建：缩束系统-正透镜1-初始结构.zmx
4
设计案例4-缩束/扩束系统
f=400 mm 正透镜1设计
评价函数： 1.控制系统焦距EFFL=400 mm，权重为1 2.控制系统波像差RMS值，权重为1 变量： 透镜前后表面曲率半径R1 和R2
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将透镜厚度改为2.5 mm 半口径改为11.5 mm
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8
设计案例4-缩束/扩束系统
f=100 mm 正透镜2设计
将入瞳口径改为20
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=100 mm 正透镜2设计
修改评价函数，将EFFL目标值改为100，优化获取新的透镜结构: • 焦距设计值100.09 mm • 波像差
保存原文件，另存为：缩束系统-负透镜-优化结果.zmx
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=-100 mm 负透镜设计
优化结果，EFFL=-100.093 mm; 3D Layout中表示的是负透镜虚焦点
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设计案例4-缩束/扩束系统
伽利略式缩束系统设计
与开普勒式缩束系统组合方式类似，正透镜与负透镜组合 • • • 单独设计正透镜1和负透镜时均为正向设计，即平行光入射经 正透镜后会聚，平行光入射经负透镜后发散； 在缩束系统中，正透镜1为正向使用，负透镜为反向使用； 将正透镜1与负透镜组合为缩束系统，正透镜1与负透镜之间的 间距为单独正向设计时正透镜1与负透镜的顶焦距之和（正透 镜的定焦距为正值，负透镜的定焦距为负值）
原有透镜焦距400.36 mm，在Focal length里输入100， 表示对透镜结构进行缩放，满足焦距为100 mm
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另存为：缩束系统-正透镜2-初始结构.zmx
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设计案例4-缩束/扩束系统
f=100 mm 正透镜2设计 Make focal 后，因为透镜比例是按400.36/100进行缩放， 所以透镜数据、入瞳口径等都需重新规整
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
• • • 单独设计正透镜1和正透镜2时均为正向设计，即平行光入射经 正透镜后会聚； 在缩束系统中，正透镜1为正向使用，正透镜2为反向使用； 将透镜1与透镜2组合为缩束系统，透镜1与透镜2之间的间距为 单独正向设计时透镜1与透镜2的顶焦距之和
打开：缩束系统-正透镜1-优化结果.zmx 然后另存为：开普勒式缩束系统-初始结构.zmx
开普勒式缩束系统设计
缩束系统为无焦系统，系统整体 焦距为无限大，将系统设置里 Afocal Image Space勾选上，表示 像方无焦，此时分析波像差时， 以平面波为参考；未勾选时，系 统有焦点，分析波像差时，以球 面波为参考。
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ZEMAX05版本转第21页PPT
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Surface 2和3之间的光学系统的EFLY，即正透镜1焦距，Target输入 400 南京理工大学 袁群 光学CAD课件 EFLY，即正透镜2焦距，Target输入 100 Surface 5和 6之间的光学系统的
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设计案例4-缩束/扩束系统
开普勒式缩束系统设计
Hx Hy Px Py为追迹光线的选择控制符，Py=1表示选择入瞳平面内 （位于正透镜1的前表面，即Surface 2），Y向归一化高度为1的光线， 见下图中红色光线，系统成倒像； 评价函数中分别控制了Surface 6和7的光线高度，即在正透镜2后表面， 以及往后100 mm位置控制光线高度，因缩束系统目标出射光束口径 为20 mm，所以REAY的Target为-10。
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设计案例4-缩束/扩束系统
伽利略式缩束系统设计
伽利略式缩束系统为正透镜+负透镜结构，以前 面设计的正透镜1为正透镜，还需设计焦距为100mm的负透镜
f=-100 mm 负透镜设计
• • • • General: 入瞳直径 20 mm, 玻璃库CDGM Fields: 0° Wavelength: 0.8 μm 入瞳位于surface 1
以D1=80 mm，f1=400 mm；D2=20 mm， f2=100 mm；工作波长λ=800 nm为例。 缩束比 4:1 ，相对孔径 1:5 南京理工大学 袁群 光学 CAD 课件